Витая пара: пропускная способность, характеристики, назначение

Низкая стоимость витых пар расширила возможность их применения в распределительных системах ближнего действия или внутрипроводных приложений, включая локальную петлю, провод и терминал сети. За прошедшие годы пропускная способность витой пары для нужд интернета резко возросла. Начиная с первоначального стандарта 10 Мбит/с, прогресс разогнал сеть до 100 Мбит/с и далее до 1 Гбит/с. Совсем недавно 10 Gigabit Ethernet обеспечил скорость, необходимую для новых приложений. В значительной степени эти обновления были вызваны повышением скорости процессора, что позволило сетям избежать узких мест в коммуникации.

Стандартизация интернет-кабелей

Витая пара состоит из двух медных проводов толщиной около 1 мм. Они закрыты индивидуально пластиковой изоляцией и скручены в спиральную форму. Полиэтилен, поливинилхлорид, полимерная смола и тефлон являются веществами, которые используются в целях защиты.

Цель скручивания — уменьшить электрические помехи в окружающей среде. Производительность или пропускная способность витой пары улучшается с увеличением количества скруток на длину. Если два провода расположены параллельно, и в них создаются электромагнитные помехи, например, от близко расположенного электродвигателя, то они возникают в проводе, находящемся ближе к источнику шума, что приводит к более высокому уровню напряжения в одном, чем в другом.

Стандартизация таких кабелей выполняется согласно международным требованиям ISO / IEC JTC1 / SC25 / WG3, а так же таких организаций, как TIA / EIA - Ассоциация телекоммуникационной промышленности в США.

Основные категории кабелей:

• 3 (10BaseT);
• 4 (10BaseT 16.0 Мбит/с);
• 5 (10BaseT, Token-Ring 16.0 Мбит с и TPD 100.0 Мбит/с);
• 5e (тип R развился до ширины полосы 100.0 МГц);
• 6 (для ширины полосы 200 МГц);
• 7 (пропускная способность витой пары 600 МГц).

Сравнивают их в соответствии с перекрестными помехами, то есть потерями части энергии сигнала из-за близости другой цепи и ее затухания.

Влияние шума на скрученные провода

Шум приводит к неравномерной нагрузке и повреждению сигнала, тогда на стороне приемника будут различия. Если два провода скручены, кумулятивный эффект помех на обоих проводах одинаков, таким образом, каждый провод в течение половины времени находится ближе к источнику шума, а в другой половине – дальше, в следующем повороте верно обратное, таким образом, на стороне приемника не будет никакой разницы, поскольку нежелательные сигналы гасятся.

Важным условием для увеличения пропускная способность витой пары является ее калибровка. Датчик является мерой толщины проводника. Чем толще провод, тем сильнее сигнал на заданном расстоянии и тем лучше характеристики среды. Эффективная полоса пропускания витой пары зависит от нескольких факторов, включая размер проводника, длину цепи и расстояние между усилителями (повторителями).

Витая пара может использоваться для передачи аналогового или цифрового сигнала, а диапазон частот составляет от 100 Гц до 5 МГц. Самое распространенное применение - IS телефонной системы. Витая пара ограничена расстоянием. По мере увеличения ее между элементами сети затухание увеличивается, а пропускная способность витой пары на заданной частоте уменьшается.

Типы проводов WAN

Различают два типа витых пар — неэкранированная (UTP) и экранированная (STP). UTP выполнена из медных проводов с цветовой кодировкой, но не содержит оплетки в качестве изолятора для защиты от помех. Проволочные пары в каждом кабеле имеют различное количество скручиваний на метр. Существуют разные категории UTP.

STP выполнена из пар медных проводов, которые скручены вместе. Пары покрыты фольгой или плетеной сеткой, а также внешней оболочкой из ПВХ. Эта фольга или сетка предотвращает проникновение электромагнитных помех и устраняет перекрестные помехи.

Экран должен быть заземлен, чтобы фольга или плетеная сетка не становились магнитом для электричества. Скручивание проводов уменьшает влияние шума или внешних помех. Количество витков на единицу длины будет определять качество кабеля, а больше поворотов означает лучшее качество.

STP менее чувствительна к шуму по сравнению с UTP и поэтому уменьшает перекрестные помехи. Недостатки STP - он обязан быть правильно заземлен и дороже, чем UTP.

Преимущества витой пары:

1. Используется для передачи, как аналоговых. так и цифровых данных.
2. Относительно легко реализуется .
3. Самый дешевый способ передачи на короткие расстояния.
4. Если часть кабеля повреждена, это не влияет на всю сеть.

Недостатки витой пары:

1. Предлагает плохую помехоустойчивость, в результате искажение сигнала больше.
2. Затухание очень высокое.
3. Поддерживает более низкую пропускную способность по сравнению с другими средами.
4. Обеспечивает скорость 10 Мбит/с до 100 м.
5. Обеспечивает очень плохую безопасность и относительно прост в использовании.
6. Будучи тонкими по размеру, они могут быть легко повреждены.

Общие свойства кабелей

Эффект проявляется в зависимости от толщины проводника. Чем толще провод, тем меньше сопротивление, тем сильнее сигнал на заданном расстоянии и тем лучше характеристики среды. Более толстые провода предлагают преимущество большей прочности на разрыв. Калибровочные числа являются регрессивными. Другими словами, чем больше число, тем меньше проводник.

Конфигурация с одной парой - несколько пар объединяются таким образом, чтобы минимизировать затраты на развертывание, связанные с подключением нескольких устройств, например, электронных телефонных станций УАТС или KTS, терминалов данных и модема к одной рабочей станции.

Полоса пропускания — эффективная емкость кабеля витой пары зависит от нескольких факторов, в том числе от размера проводника, длины цепи и расстояния между усилителями (повторителями). Приложение с высокой пропускной способностью (частотой) может создавать помехи другим сигналам в парах, находящихся в непосредственной близости.

Безопасность — витая пара по своей природе является небезопасной средой передачи. Относительно просто разместить физические отводы по UTP. Кроме того, излучаемая энергия легко перехватывается с помощью антенн или индуктивных катушек, без необходимости размещения физического отвода.

Скорость передачи данных

В то время как стандарты кабельных сетей определяют пропускную способность установленной системы, фактическая скорость, с которой данные могут передаваться, зависит от конструкции электронного подключенного оборудования. Ширина полосы системы указана в мегагерцах (МГц), а скорость передачи данных указывается в битах в секунду: Мбит/с или Гбит/с.

Хотя категория подключение витой пары определяет максимальную полосу пропускания, максимальная скорость передачи данных, фактически передаваемая кабелем, определяется электронным оборудованием кабельной системы. Стандартизированные скорости передачи данных имеют тенденцию к увеличению с кратностью десять.

Скорость Cat5e кабелей поддерживает высокую производительность сети. Усовершенствованные кабели категории 5 могут обеспечивать скорость Gigabit Ethernet до 1000 Мбит/с. Устройства, подключенные кабелем, включая коммутаторы и маршрутизаторы, также должны поддерживать желаемую скорость.

Cat5e обеспечивает пропускную способность 100 МГц, хотя доступны варианты с возможностями до 350 МГц. Кабель обеспечивает меньше перекрестных помех и помех по сравнению с оригинальным Cat5. Благодаря скорости и доступности Cat5e, он обычно используется в проводных LAN, которые предъявляют высокие требования к производительности и стоит на 20 процентов меньше, чем Cat6.

Неэкранированная схема UTP

UTP обозначает неэкранированный кабель. Он представляет собой медный кабель на 100 Ом, который состоит из 2-1800 неэкранированных витых пар, окруженных внешней оболочкой. У них нет металлического щита. Это делает кабель небольшим диаметром, но не защищенным от электрических помех. Твист помогает улучшить его устойчивость к электрическим помехам и электромагнитным помехам.

Для горизонтальных кабелей количество пар обычно составляет 4 пары. Для магистральных кабелей число пар, как правило, будет с приращением 25, поскольку многопарные UTP-кабели собраны в связующую группу из 25 пар. Медный проводник как горизонтальных, так и магистральных UTP-кабелей имеет 22 AWG или 24 AWG. 24 AWG - это самый распространенный размер, но в кабелях более высокой производительности, таких как UTP категории 6, используются медные провода 23 AWG.

Кабель со сплошным проводником

Как следует из названия, UTP-кабели со сплошным проводом имеют один проводник из сплошного медного провода. В дополнение к тому, что они физически прочнее и с ними легче работать, они имеют превосходные электрические характеристики витой пары, которые остаются стабильными в более широком диапазоне частот.

Кабели со сплошным проводом имеют более низкое сопротивление постоянному току и более низкую восприимчивость к высокочастотным воздействиям благодаря их диаметрам. Эти свойства позволяют использовать одножильные кабели, обеспечивающие более длительную передачу и высокие скорости данных, чем их многожильные аналоги. Кабели UTP, используемые как для горизонтального, так и для магистрального применения.

Скрученный UTP Cable Picture

Скрученный проводник UTP Cable Picture - кабели с многожильным проводом обычно используются в качестве соединительных кабелей в рабочих зонах или в телекоммуникационных помещениях. Внутри витых пар многожильного кабеля каждый отдельный проводник состоит из пучка проводов меньшей длины. Они расположены так, что несколько проводов окружают один провод в центре пучка, при пропускная способность витой пары 8 проводов выше пары их 4.

Внешние провода намотаны по спирали вокруг центрального провода с помощью процесса, называемого скручиванием. Скрученные провода вместе образуют один проводник с общим диаметром, примерно равным диаметру проводника в сплошном кабеле, но с гораздо меньшей проводящей площадью (на основе меньших диаметров жил проводящего провода). Жила проводниковых проводов служит для их защиты и обеспечивает гибкость многожильных кабелей.

Кабели UTP в основном применяются для LAN. Они могут использоваться для передачи голоса, низкоскоростных и высокоскоростных данных, аудио- и пейджинговых систем, и для систем автоматизации и управления зданием. Кабель UTP может использоваться, как в горизонтальной с витой парой в 8 жил, так и в магистральных подсистемах.

Горизонтальные кабели UTP имеют 8-позиционный модульный разъем в рабочей зоне. Разъем RJ45 представляет собой 8-проводный компактный модульный разъем, используемый для подключения кабеля данных UTP. Гнезда RJ45 спроектированы так, чтобы поддерживать определенные характеристики категории 5, 5e, 6 или 6A, и поэтому должны соответствовать категории кабеля, к которому они подключаются.

Удлинитель USB по витой паре

Иногда случается ситуации, когда необходимо протянуть USB-кабель на расстояние более 5, 15, 30 метров или даже больше. Это можно сделать самостоятельно, сегодня есть несколько решений на выбор. Все зависит от ограничений максимальной длины кабеля, а также от его качества.

Прежде нужно перейти к опциям расширения USB, чтобы понять основные ограничения длины такого кабеля. Максимальная длина кабеля между устройствами USB 2.0 составляет 5 метров, а для USB 3.x составляет 3 метра. При использовании активных USB-кабелей или ретрансляторов ограничение протяженности зависит от того, используется ли обычный USB-кабель с активным или нет. Для них длина активного кабеля для USB 2.0 составляет 30 метров, а для USB 3.x – 18 метров. Если используется обычный кабель, то предельная длина для удлинителя по витой паре USB 2.0 примерно 20 метров, а рекомендуемая для USB 3.x - 10 метров.

Скажем, нужно подключить USB-микрофон или веб-камеру от стола в конференц-зале к настенным телевизорам, которые находятся на расстоянии 25 метров или около того. Чтобы выполнить такое подключение используют одно устройство Hall Research.

Сравнение проводов Ethernet

Cat5e и Cat6 - это два разных кабеля Ethernet, классифицированных по стандартным категориям. «Cat» относится к «Категории кабеля», а термины «5e» и «6» относятся к разным стандартам.

Кабель Cat5e является улучшенной версией Cat5 с повышенной пропускной способностью витой пары 5е. Унаследовав конструкцию и полосу пропускания 100 МГц своего предшественника, Cat5e повышает производительность, вводя оптимизированные спецификации скорости передачи данных и защиты от перекрестных помех. Он передает данные в 10 раз быстрее, чем кабель Cat5, до 1000 Мбит/с. Он поддерживает Gigabit Ethernet и часто используется в домашней сети с различной длиной и исходной проводкой.

Кабель Cat5e и Cat6 совместно используют общие разъемы кабеля RJ45 и особенность конструкции медных проводов витой пары. Они представляют собой совершенно разные стандарты кабеля Ethernet. Кабель Cat5e RJ45 имеет более низкий уровень производительности передачи, а Cat6 (кабель) RJ45 оптимизирован с полосой пропускания 250 МГц, более высокой скоростью передачи данных и более устойчивой к перекрестным помехам и шуму. Следующий отрывок будет посвящен иллюстрации их функциональных различий.

Оба Cat5e и Cat6 состоят из 4 медных проводов витой пары с продольным разделителем для их изоляции. Эта конструкция может уменьшить электромагнитный интерфейс между различными проводами. По сравнению с Cat5e, обеспечивая равные перекрестные помехи на дальнем конце (FEXT), возвратные потери и вносимые потери, Cat6 имеет более низкие перекрестные помехи на ближнем конце (NEXT). Проще говоря, кабель Cat6 имеет высокое SNR (коэффициент шума сигнала), который обеспечивает меньше шума, меньше ошибок и более высокую скорость и максимальная пропускная способность витой пары при передаче сигнала.

Тестирование витых пар

В современных телекоммуникационных установках кабель с витыми парами большого количества становится все более распространенным в конструкциях основного кросс-коммутатора и промежуточного кросс-коммутатора. В результате 100-парные, 300-парные и более высокие пары являются общими для основного и вспомогательных каналов. Эти кабели большого количества обычно содержат связующие с цветовой кодировкой, которые идентифицируют отдельные 25-парные пучки.

Иногда эти связующие могут быть неправильно перенаправлены в их соответствующие позиции на блоке. Кроме того, связующие могут быть ошибочно обрезаны, если кабель неправильно разорван, поэтому потребуется их протестировать.

Алгоритм операции:

1. Перед тем как проверить пропускную способность витой пары отсоединяют и обрезают один конец кабеля и пропускают тональный сигнал через каждый 25-пар кабеля с помощью тон-генератора и однопарного перекрестного провода.
2. Сокращают первую пару первого комплекта из 25 пар тупой стороной ударного лезвия. Это предотвратит перерезание поперечной проволоки. Затем переходят ко второй паре второго комплекта, третьей паре третьего комплекта и дальше аналогично пока все 25-парные комплекты не будут перекрестными.
3. Переходят к противоположному концу кабеля с помощью индуктивного усилителя и находят тональный сигнал. Если все пучки правильно пропущены через поле блока, тон должен перемещаться по этому полю в том порядке, в котором была обрезана тестовая перекрестная линия.
4. На 110-проводном блоке можно одновременно протестировать до 600 кабелей с витой парой, не используя один и тот же пакет из 25 пар дважды.

Эволюция Ethernet

С момента своего развития в начале 1970-х годов Ethernet постоянно развивался, чтобы удовлетворить растущие потребности локальных компьютерных сетей. Первоначально он использовал общий коаксиальный кабель в качестве среды связи, но перешел на неэкранированные двухточечные соединения типа «точка-точка», которые увеличили пропускную способность, а также перешли от локальных сетей (LAN) до глобальных сетей (WAN).

Стандартизация технологии IEEE в 1982 году вместе с появлением Всемирной паутины еще больше ускорили рост и последующее доминирование Ethernet в топографии сети. Медные носители, используемые для передачи Ethernet, также расширились до оптоволоконного и беспроводного транспорта для удовлетворения потребностей в полосе пропускания и расширения на этих растущих рынках.

На протяжении всей эволюции до 1 Гбит Ethernet восьмипозиционный разъем 8P8C был основой Ethernet-подключения. Этот замечательный медный разъем является прямым потомком модульных разъемов, разработанных Bell Laboratories в 1972 году для использования в приложениях телефонии. В сетевых приложениях его обычно называют разъемом Ethernet или RJ45.

Эти недорогие соединители подключаются к проводам с помощью простого одностадийного процесса смещения изоляции, который требует одного инструмента, гарантирующего, что качество соединения не зависит от квалификации оператора. Позолоченный плоский контакт между ножом и пружиной доказал свою высокую надежность в самых разных сложных условиях.

Следующим шагом на пути к более высокой производительности Ethernet является Ethernet 40 Гбит, описанный в стандарте IEEE 802.3ba, ратифицированном в 2010 году. Приложениям верхнего уровня часто требуется возможность объединять несколько каналов Ethernet 1 ГБ или 10 ГБ, что делает Ethernet 40 Гбит привлекательным вариантом.

Более новый интерфейс в гонке для поддержки 100Gb Ethernet - это разъем CXP. Он обеспечивает до 12 каналов 10 Гбит/с в пакете, немного превышающем QSFP +. Хотя CXP изначально разрабатывался для Infiniband, он поддерживает каналы 10 x 10 Гбит/с для 100 Гбит Ethernet.

Технические преимущества более низких скоростей на полосу движения могут быть уравновешены перегрузкой занимаемой площади печатной платы, которая является следствием большего количества дифференциальных пар. Этот медный разъем также будет ограничен относительно краткосрочными приложениями, хотя доступны активные сборки оптического кабеля CXP.

Учитывая десятикратный скачок скорости предыдущих итераций Ethernet, следующая логическая цель - 1TbEthernet, хотя некоторые предлагают более «скромный» скачок до 400 Гбит/с. Xilinx уже описал 28-нм ПЛИС, которая может поддерживать 400 Гбит Ethernet. Нет сомнений в том, что Ethernet во многих его формах будет продолжать создавать значительные технические проблемы, а также возможности для расширения соединителей в течение многих лет.